Simulación de una columna de destilación simple para una mezcla binaria de compuestos utilizados como biodiesel. Comparación entre un nuevo modelo propuesto y simuladores comerciales de ingeniería química.

AUTOR: DESIRE SANTANA CASTELLANO TUTOR: JUAN ORTEGA SAAVEDRA COTUTOR: FERNANDO ESPIAU CASTELLANO

Julio, 2010

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento al Dr. Don Juan Ortega Saavedra por su ayuda incondicional y al Dr. Don Fernando Espiau Castellano por su colaboración y su estimado apoyo.

Índice 1. ANTECEDENTES…………………………………………………………………………………………………. 3 2. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………... 3 3. BIODIESEL…………………………………………………………………………………………………………. 4 3.1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................

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3.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL BIODIESEL………………………………………………………………….

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3.3. DEFINICIÓN DE BIODIESEL……………………………………………………………………………………..

7

3.4. PROPIEDADES DEL BIODIESEL………………………………………………………………………………..

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3.5. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL USO DEL BIODIESEL………………………………………

10

3.6.

ESPECIFICACIONES DE CALIDAD……………………………………………………………………………14

3.7.

APLICACIONES DEL BIODIESEL…………………………………………………………………………….. 19

4. ESTUDIO DE VIABILIDAD………………………………………………………………………………….... 20 4.1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………….... 20 4.2. DEPENDENCIA ENERGÉTICA………………………………………………………………………………….....21

5. LA INGENIERÍA DE PROCESOS DE SEPARACIÓN…………………………………………………... 22 5.1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………………. 22 5.2. EL CONCEPTO DE EQUILIBRIO………………………………………………………………………………….. 23 5.3. INTRODUCCIÓN A LA DESTILACIÓN EN COLUMNA…………………………………………………… 25 5.4. BALANCES INTERNOS DE LA COLUMNA DE DESTILACIÓN………………………………………….26

6. MÉTODO DE MCABE-THIELE………………………………………………………………………………..32 7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ……………………………………………………………………….36 7.1. INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………………………………………….36 7.2. PROGRAMACIÓN EN MATLAB. …………………………………………………………………………………37 7.3. EL CHEMCAD Y EL ASPEN PLUS. ………………………………………………………………………………..39

8. PROBLEMA PROPUESTO. …………………………………………………………………………………….41 8.1. RESULTADOS. …………………………………………………………………………………………………………..42 8.2. CONCLUSIONES. ……………………………………………………………………………………………………….44

9. OTRO MÉTODO. ………………………………………………………………………………………………….44 10. Bibliografía. ………………………………………………………………………………………………………45 11.Anexo I. ……………………………………………………………………………………………………………..46 11.1.MCCABETHIELE.m ……………………………………………………………………………………………………46

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11.2. MCT1.m………………………………………………………………………………………………………………….47 11.3. XeY.m …………………………………………………………………………………………………………………….54

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1. ANTECEDENTES. La creciente preocupación por el cambio climático cuyos principales responsables parecen ser las emisiones de gases de efecto invernadero junto con la incertidumbre de disponer de combustible fósil en el futuro, ha provocado un aumento de la producción de biocombustibles, destacando especialmente el biodiesel. A lo dicho hay que sumar el hecho de que, en el caso de España la dependencia energética del exterior es muy fuerte, importándose un 80 de la energía que se consume en el país. Esto hace que nuestra economía sea bastante vulnerable a los volátiles cambios en los precios internacionales del petróleo. En España existen más de 44 plantas de biodiesel y se prevé que se construyan 25 más entre los años 2009-2011. En este sentido Canarias sería una región deficitaria puesto que en la actualidad solo se contempla la posibilidad de construir una planta de biodiesel. Para ello se necesitan procesos de separación factibles, dentro de los procesos químicos para la obtención de los integrantes del biodiesel en su más alta pureza. Por ello se ha creído conveniente un proyecto de simulación de procesos de separación para que la obtención de biodiesel sea eficaz y capaz de cubrir un buen porcentaje de la demanda que, de dicho combustible, se tendrá en las islas en los próximos años, reduciendo el consumo exterior de los combustibles fósiles. Tal como se ha comentado en el párrafo anterior, el objetivo del presente proyecto es diseñar un proceso de separación que presente unas condiciones factibles para la obtención de uno de los integrantes del biodiesel, con la más alta pureza. Se plantea, por tanto, como objetivo de este proyecto de Fin de Máster la simulación de una columna simple de destilación para la obtención de la separación del compuesto éster + metanol. 2. INTRODUCCIÓN. Para una mayor comprensión de la finalidad de este proyecto, se procederá a definir las diferentes partes que integran el mismo. Para ello se procederá a explicar lo que se conoce como biodiesel, así como, los diferentes procesos de separación aplicados en la ingeniería química. El objetivo de este trabajo consiste en implementar una interface de usuario con un método aplicado y comparar los resultados obtenidos con los programas comerciales utilizados para la simulación de sistemas de destilación. A continuación se comienza con un poco de historia del biodiesel, ya que los datos aplicados en este trabajo pertenecen a la familia de los mismos.

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3. BIODIESEL. 3.1. INTRODUCCIÓN. Desde comienzos de la Revolución Industrial hasta el momento actual, los combustibles fósiles (fundamentalmente el petróleo y sus derivados) han sido la base en la que se ha sustentado la economía mundial. Sin embargo, su carácter no renovable y las perspectivas actuales de agotamiento que presentan sus reservas, catalizadas por el constante aumento de su demanda está conduciendo a la búsqueda de fuentes alternativas que puedan aminorar en gran medida la dependencia que de estos combustibles tenemos en la actualidad. Además el uso de los mismos tiene un impacto negativo sobre el medio ambiente, entre otras cosas porque sus emisiones contaminan la atmósfera y generan gases de efecto invernadero. Ello incide no solo en nuestra salud sino que, según la mayor parte de la comunidad científica internacional, es una de las causas principales del cambio climático que está sufriendo nuestro planeta. Ello ha motivado la creación de Ministerios u oficinas de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible en gran número de países, y la adopción conjunta de medidas para frenar la contaminación ambiental y mejorar las condiciones de sostenibilidad como ha sido la firma del Protocolo de Kyoto, en el año 1997, que entró en vigor en febrero de 2005. En la Unión Europea (UE), el transporte es responsable del 21% de las emisiones de gases de efecto invernadero y, representando más del 30% del total de consumo de energía depende en un 98% de los combustibles fósiles. El incremento de este sector es la principal causa de que la Unión Europea no cumpla con los objetivos y compromisos del Protocolo de Kyoto; de hecho se espera que el 90% del incremento de las emisiones de CO2 entre 1990 y 2010 se deban a este sector. [Biofuels Research Advisory Council UE, 2006]. Teniendo en cuenta los factores que inciden en el cambio climático, el continuado ncremento de los precios del petróleo y sus derivados así como la preocupación por garantizar su suministro, la utilización de biomasa, y en particular de biocombustibles (biodiesel y bioetanol), para usos energéticos tiene cada vez mayor interés. Los biocarburantes son un sustituto directo e inmediato de los combustibles líquidos utilizados en el transporte y pueden ser fácilmente integrados en los sistemas logísticos actualmente en operación. Reemplazar un porcentaje de gasóleo y gasolinas de automoción por biocombustibles (biodiesel o bioetanol) es la forma más sencilla y barata de mejorar las emisiones generadas en el sector.

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En la actualidad en la Unión Europea se producen 35 millones de metros cúbicos de biocombustibles (bioetanol y biodiesel, principalmente). Esta cifra está muy alejada de los objetivos fijados por el Protocolo de Kioto (Directiva 2003/30 de mayo 2003) que estaban en el 2% del consumo de carburantes en la UE. El objetivo para el 2010 es alcanzar una penetración de mercado del 5,75%. La UE tiene un gran potencial para la producción de biocombustibles. A finales del año 2005 ésta se situaba en la Europa de los 25 (UE 25) en cerca de 2 Mtep (millones de toneladas equivalentes). Se estima que entre el 4% y el 13% del total de tierra destinada a agricultura en la UE será necesaria para producir la cantidad de biocombustibles que permita alcanzar el nivel de sustitución de los combustibles fósiles empleados en el transporte y lograr los objetivos marcados en la Directiva anteriormente citada. Se prevé que en el año 2030 un cuarto de los combustibles empleados en el transporte provendrán de biocombustibles [Biofuels Research Advisory Council UE, 2006]. En cuanto a España, es el primer productor europeo de bioetanol, debido a la producción de etil-tercbutil éter (ETBE) que se utiliza como aditivo en la gasolina. Sin embargo en relación al biodiesel, los indicadores señalan que, al contrario que en el resto de la UE y a pesar que hay varias plantas de producción y otras están en fase de construcción o estudio, se encuentra retrasada a la hora de alcanzar sus objetivos. Según datos de 2004 la producción de biodiesel en España se sitúa en 15.000 t/año, muy lejos de los datos del primer productor Europeo (Alemania con 1.035.000 t/año). El mercado existente para los cereales, su precio actual y las exenciones fiscales hacen económicamente rentable su utilización para la producción de bioetanol. Los cultivos de colza o girasol necesarios para obtención del biodiesel requieren mayor superficie, lo que presenta mayores dificultades para su desarrollo. La utilización de aceites usados es una alternativa muy atractiva que contribuye también a la eliminación de residuos, aunque requiere desarrollar una adecuada logística para su recogida. Con todo ello, el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio ha concedido una subvención destinada a fomentar en el ámbito de biodiesel la cooperación estable público-privada en investigación, desarrollo e innovación, mediante la formación de consorcios estratégicos nacionales de investigación técnica (proyectos CENIT). El objetivo de este consorcio liderado por Repsol YPF S.A. es la investigación y el desarrollo sobre la obtención y utilización de biodiesel, minimizando el uso de combustibles fósiles y favoreciendo otros de origen renovable, reduciendo la dependencia energética y contribuyendo a la disminución de gases de efecto invernadero. El programa CENIT se enmarca dentro de las iniciativas del Plan Ingenio 2010. Además, desde 1998 España ha aumentado su consumo en diesel que ha crecido desde las cerca de 14.349 ktep de ese año hasta las más de 22.000 ktep en 2004. Éste hecho junto al objetivo que tiene nuestro país de cumplir el Protocolo de Kioto, incentiva la producción de biodiesel. 5

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Ello traerá consecuencias beneficiosas, no solo en el ámbito ambiental donde se reducirán a la mitad las emisiones de CO2 y a cero las de óxidos de azufre, sino que también servirá para crear nuevas oportunidades y puestos de trabajo en sectores como el de la industria y la agricultura. 3.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL BIODIESEL. El primer motor Diesel de la historia funcionaba con aceite de cacahuete. Su creador, el inventor alemán Rudolf Diesel, lo presentó en la Exposición Universal de París de 1900 como un “motor de aceite” y pretendía con él potenciar la agricultura como fuente de energía. Fue pionero en desarrollar el biodiesel aunque estrictamente hablando no se puede considerar al aceite de cacahuete o de cualquier semilla oleaginosa como biodiesel, debido a que para eso es necesario un proceso de transesterificación de los aceites vegetales, algo que en aquella época se desconocía por completo. Rudolf Diesel se dio cuenta de la importante función que el combustible fabricado a partir de biomasa desempeñaría en el futuro para el funcionamiento de los motores. Sin embargo, los fabricantes de biocarburantes de la época encontraron el proceso demasiado costoso y la industria del petróleo comenzó a expandirse de forma agresiva debido a que el diesel obtenido a partir del petróleo era más barato. Los aceites vegetales eran mucho más viscosos que éste combustible y originaban diversos problemas, tales como taponamiento de filtros y de inyectores, depósitos de carbón en la cámara de combustión, excesivo desgaste del motor, degradación del aceite lubricante por polimerización,…. etc. Por estas causas no se podían utilizar directamente en los motores diesel, por lo que tuvieron, durante los años 20 del pasado siglo, modificados por los fabricantes para permitir el uso de petróleo. Como resultado, el combustible vegetal se dejó de lado y las instalaciones de su fabricación cayeron en decadencia. A pesar de esta caída, los motores han seguido utilizando aceite vegetal como combustible en momentos en los que se han presentado problemas de abastecimiento de productos petrolíferos, especialmente durante las dos guerras mundiales; y en el período comprendido entre los años veinte y cincuenta, en países como el Reino Unido, Francia, Alemania, Brasil, China y Japón. Durante la crisis energética (1973-1979) disminuyó la oferta de petróleo elevándose su precio de forma exorbitada. Se planteó entonces la urgente necesidad de ahorrar energía y utilizar recursos energéticos renovables, reiniciándose entre otras la investigación en el campo de los biocombustibles líquidos de origen vegetal. A comienzos de la crisis (año 1973), al científico Chavanne de la Universidad de Bruselas en Bélgica se le concede la primera patente de obtención de biodiesel. Esta se basaba en el proceso de transesterificación o alcoholisis del aceite vegetal, que se transformó para su uso como combustible. El proceso partía del tratamiento de los aceites vegetales con alcohol etílico y metanol para posteriormente sustituir la 6

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glicerina con alcohol después de la eliminación de los ácidos grasos de ésta. Este proceso de producción continuó hasta mediados los años setenta del pasado siglo. Con la transesterificación se rebajaba la viscosidad de los aceites vegetales hasta valores cercanos a las de los gasóleos de origen fósil, por lo que podían usarse en los motores diesel disminuyendo con creces los problemas derivados del taponamiento, desgaste y acumulación de carbón. En el periodo comprendido entre 1977 y 1989 se desarrolla el proceso de obtención del biodiesel en varias partes del mundo. En 1977, Parente (científico brasileño) patentó un proceso que empleaba etanol durante la transesterificación. Este proceso ya ha sido reconocido y aceptado por la industria automovilística. Otro producto “bio-queroseno” (Tecbio Parente) también ha sido patentado y certificado por Boeing y la NASA para su utilización como biodiesel de aviación. En 1979, se desarrolló en Sudáfrica un proceso que permitía obtener biodiesel a partir de aceite de girasol, sin embargo no fue hasta 1983 cuando se obtuvo un biodiesel adecuado para su uso en motores de automóviles, aceptado en todo el mundo. A comienzos de los años noventa se crearon en Europa varias plantas de biodiesel debido a la creciente preocupación social por proteger el medio ambiente. En 1997 un gran número de naciones firmaron el Protocolo de Kyoto dentro del Convenio Marco sobre Cambio Climático de la ONU (UNFCCC), motivando un resurgimiento del interés por este combustible en diferentes partes del planeta. Durante las últimas décadas, en los países industrializados, la tecnología de producción del biodiesel ha sido desarrollada satisfactoriamente y su uso en motores diesel ha sido probado con ostensible éxito. No obstante, aún persisten dos aspectos no resueltos que limitan una mayor expansión y difusión de su uso: por un lado, el alto costo de los aceites vegetales para la producción de biodiesel cuando se utilizan cultivos oleaginosos convencionales; y por otro, la logística para el aprovisionamiento de los insumos en el caso de la utilización de aceites comestibles usados. Hoy en día países como Alemania, Austria, Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, Malasia y Suecia son pioneros en la producción, ensayo y uso de biodiesel en automóviles. 3.3. DEFINICIÓN DE BIODIESEL. La “American Standards for Testing and Materials” define al biodiesel como: “ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables, tales como aceites vegetales, que se emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción.” Se trata por tanto de un biocombustible sintético líquido cuyo principal uso es como sustituto parcial o total de petrodiesel o gasóleo obtenido del petróleo.

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Los componentes básicos de los aceites y las grasas son los triglicéridos, los cuales provienen tanto de ácidos grasos saturados como insaturados. Dependiendo de éstas y otras características del origen de los triglicéridos se obtendrán un biodiesel con unas cualidades u otras. En la gráfica 1 se presentan diferentes composiciones de los ácidos grasos más comunes presentes en los aceites.

Gráfica 1: Ácidos grasos comunes en aceites vegetales. Donde: • SME : Ester metilico de la soja. • HySEE: ester etilico hidrogenado de la soja • SEE: ester etililico de la soja • SIE: Ester isopropilico de la soja. • TME: Ester metilico del sebo de la vaca. • TEE: ester etilico del sebo de la vaca. • TIE: ester isopropilico del sebo de la vaca. • GEE: ester etilico de la grasa. • MP: Metil palmitato. • IP: Isopropil palmitato. • ME: Metil estearato. • MO: Metil oleato. • SFME: Ester metilico de girasol de alto oléico. • REE: ester etilico de la colza.

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3.4. PROPIEDADES DEL BIODIESEL. Las propiedades del biodiesel son parecidas a las del gasóleo de automoción, en cuanto a densidad y número de cetanos. En cuanto a las propiedades de cada uno aparecen expuestas en la Tabla 1.1: Tabla 1.1: Propiedades físico-químicas de biodiesel y diesel Datos Físico-químicos Biodiesel diesel 3 Densidad a 20º C (kg/m ) 870/890 840 Viscosidad a 40ºC 3,5/4,5 3 Poder calorífico inferior (MJ/Kg) 36/39 43 Número de cetano 49/54 48/51 Punto de ebullición ºC 190-340 180-335 Punto de ignición ºC 148,89 51,7 Punto de inflamación ºC 120-170 60-80 Punto de congelación ºC 0/-5 -20 Relación estequiométrica aire/combustible p/p 13,8 15 De la misma manera se pueden extraer las siguientes conclusiones:  La densidad y viscosidad cinemática del biodiesel aumentan con respecto al gasoil. • El punto de fusión es más favorable para el gasoil frente al biodiesel. Esto es sobre todo importante en las regiones frías.  El índice de cetano, que guarda relación con el tiempo que transcurre entre la inyección del carburante y el comienzo de su combustión, es mayor en el metil éster que en el gasoil. Un menor índice de cetano implica un retraso de la ignición. • El poder calorífico es menor en el biodiesel, por lo que su potencia es inferior, (en torno al 5%) lo que conlleva a un consumo de combustible ligeramente superior al del diesel tradicional. Sin embargo, este inconveniente se ve compensado por su mayor punto de ignición, que reduce el peligro de explosiones por emanación de gases durante el almacenamiento, y su superior lubricidad, que favorece el funcionamiento del circuito de alimentación y de la bomba de inyección. • El punto de congelación del diésel es de -20ºC frente a los -5ºC del biodiesel. Por ello el uso de biodiesel en motores de automoción requiere de anticongelantes en zonas frías.

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3.5. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL USO DEL BIODIESEL. Incidiendo aún más en lo anterior seguidamente se comentarán las ventajas e inconvenientes que presenta el biodiesel frente al diesel convencional, desde el punto de vista de automoción, socioeconómico y medioambiental. Entre los inconvenientes de usar biodiesel como sustituto total o parcial del gasoil se destaca lo siguiente: a) Inconvenientes en la automoción: • Biodiesel puro. En el caso de usar biodiesel puro hay que efectuar unas pequeñas modificaciones técnicas en los motores diésel, como sería modificar el compuesto de la goma y/o cauchos de los manguitos y latiguillos del circuito del combustible. Ello es debido a que el biodiesel 100% tiene la particularidad de disolver la goma. Para vehículos posteriores a los años 90 no se requiere ninguna modificación. • Alto punto de congelación. Otro problema añadido al uso de biodiesel 100% es su relativamente alto punto de congelación (entre 0ºC y -5ºC), por lo que su uso podría acarrear problemas en regiones frías. En cualquier caso, existen actualmente aditivos que rebajan el punto de congelación hasta -20ºC y cuya aplicación, por lo tanto, elimina dichos riesgos. Tanto el punto de congelación (PC), como el punto de nube (PN), y el punto de obstrucción por filtros fríos (POFF) son desde ligeramente superiores a muy superiores según sea la procedencia del éster (aceite de maíz, oliva, jatropha, etc…). Para un biodiesel procedente de un aceite residual el POFF se encuentra entre -7º y 0ºC, lo cual es insuficiente en invierno. Utilizando un biodiesel de origen animal el POFF es todavía superior. • Poder calorífico inferior. Debido a que el biodiesel posee un poder calorífico inferior al diesel tiene una potencia en torno a un 5% menor que éste y requiriendo un mayor consumo de combustible. b) Inconvenientes socioeconómicas: • Alto coste de producción del biodiesel. Según un informe de la Comisión Nacional de la Energía, la producción de un litro de biodiesel varía entre los 17 y los 70 céntimos de euro, en función de la materia prima empleada (aceites usados o aceite sin usar). El coste de producción del biodiesel es, por tanto, mayor que el del combustible derivado del petróleo, al menos por ahora, porque el alza del crudo puede llegar a igualar estos costes a medio plazo.  Impuestos sobre hidrocarburos. Debido a la diferencia existente en cuanto al valor del impuesto sobre hidrocarburos en los diferentes países de la UE (Gráfico 1.2) la industria española de biocarburantes se encuentra en desventaja competitiva respecto de la de otros que tienen un impuesto más alto, lo que proporciona al biocarburante un mayor margen para competir con los carburantes fósiles. Con esto el biocarburante sería dedicado a la exportación y no al consumo interno, poniendo en peligro la consecución de los objetivos para 2010. Este es un 10

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hecho ya observado en 2005, donde la cuota de consumo de biocarburantes no se alcanzó (0,44% según fuente APPA frente al 2% previsto), a la vez que se estaba exportando el 60% de la producción de biodiesel.  Precio y seguridad de abastecimiento de la materia prima. Los productores de biocarburantes actualmente recurren a dos sistemas para comprar su materia prima: por una parte, pueden optar por emplear aceites vegetales usados, que resultan más económicos, pues su precio, por ser un residuo, es mucho menor que el de el aceite sin usar. Sin embargo, presenta una serie de dificultades logísticas para su recogida, control y trazabilidad, por la dispersión de los núcleos de producción (domésticos, restaurantes, etc.), la falta de concienciación de su capacidad contaminante y de su potencial reciclable. Además, en España, dicha recogida no está siendo promovida enérgicamente por la Administración pese a que la Ley 10/98 de Residuos establece la prohibición de verter aceites usados. Otra opción es acceder a la materia prima en los mercados agrícolas, sujetos a una alta volatilidad definida por las cosechas y la demanda para uso alimentario.

Gráfico 1.2: Impuestos especiales a hidrocarburos en países de la UE. Gasóleo A. Fuente: Asociación de productores de energías renovables (APPA). “Una estrategia de biocarburantes para España (2005-2010).”

El rumbo que han de tomar los cultivos energéticos de cara al futuro será el de una mayor productividad (colza etíope, cardo, jatropha), y una menor competitividad con el sector alimentario, para eliminar la volatilidad de los precios. Sin embargo, la introducción de nuevas especies presenta barreras de tres tipos: 11

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 Técnicas y climatológicas: en función de la adaptación de las mismas a las condiciones españolas.  Medioambientales: ya que la introducción de una especie nueva puede alterar los ecosistemas actuales.  Culturales: por el desconocimiento de las mismas por parte de los agricultores y su resistencia a cultivarlas.  Valorización de subproductos. Uno de los retos al que los productores de biodiesel tienen que hacer frente, es la gestión y la valorización de los subproductos, es decir, desarrollar e integrar los subproductos que se obtienen en la reacción de transesterificación, como son: -Los ácidos grasos libres: que pueden ser destinados a la fabricación de detergentes, champús o cosméticos. - Las sales de sulfato o fosfato (procedentes del catalizador de la reacción): que pueden ser empleadas como fertilizante. - La glicerina. La industria del biodiesel genera, en su proceso de producción, una cantidad de glicerina equivalente al 10% del biodiesel total producido. Es decir, que con los objetivos marcados por la Unión Europea la contribución europea al mercado de glicerina será del orden de millones de toneladas. Por ello, se prevé una saturación del mercado a corto plazo, por lo que parece razonable considerar que el precio de la glicerina seguirá descendiendo en los próximos años con lo cual disminuye considerablemente la rentabilidad de su venta como principal subproducto. Entre las ventajas de diversa índole cabe destacar las siguientes: a) Ventajas del uso en la automoción:  Mayor punto de ignición. Lo cual reduce el peligro de explosiones por emanación de gases durante el almacenamiento, mejora el proceso de combustión, permite aumentar la relación de compresión del motor (conlleva un aumento del rendimiento de éste) y produce menos ruido.  Mayor lubricidad. Favorece el funcionamiento del circuito de alimentación y de la bomba de inyección. Y conlleva una disminución en la necesidad de incluir adictivos en el combustible para mejorar esta propiedad.  Sustitución total o parcial del gasóleo. Cuando el biodiesel se usa puro se denomina B100 y cuando participa en una mezcla, por ejemplo, 20/80 con gasoil se denomina B20. Pero esto no significa que no se pueda usar en otras proporciones. De hecho en Francia y otros países usan el B2, B5, etc. Al usar mezclas se solucionan problemas como el elevado punto de congelación y la perdida de potencia.

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b) Ventajas medioambientales:  El biodiesel es altamente biodegradable (aprox. 21 días). Su origen vegetal lo hace compatible con la naturaleza, y la ausencia de compuestos químicos y sintéticos lo hace inocuo con nuestro medio y en caso de derrame y/o accidente, no pone en peligro ni el suelo ni las aguas subterráneas.  No contiene azufre. No genera emanaciones de SOx que son los responsables de la lluvia ácida y permite el uso de catalizadores con la consiguiente mejora de la combustión y minimización de los gases de escape. Tampoco contiene ni benceno, ni otras sustancias aromáticas cancerígenas (hidrocarburos aromáticos policíclicos).  Reducción de contaminantes. El biodiesel puro (100%) en comparación con el diesel, reduce las emisiones de todos los contaminantes atmosféricos, excepto el NOx, por lo cual en el balance general se ve reducido el “smog” potencial. En el siguiente Gráfico 1.3 se observa los porcentajes de contaminantes que produce el biodiesel puro y la mezcla B20:

Gráfico 1.3: Reducción de contaminantes del biodiesel puro y en mezcla B20. En el mismo se observa una notable mejora en el uso del biodiesel en cuanto a reducción de contaminantes:  Reducción de las emisiones de hollín (hasta casi un 50% desapareciendo el humo negro y olor desagradable). Dado que la molécula de biodiesel aporta, por unidad de volumen, más átomos de oxígeno que lo que aporta el mismo volumen de gasóleo convencional, la presencia de inquemados es menor utilizando biodiesel, dado que hay menos moléculas de carbono elemental (hollín) y de monóxido de carbono (CO).  Produce, durante su combustión menor cantidad de CO2 que el que las plantas absorben para su crecimiento (ciclo cerrado de CO2). El dióxido de 13

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carbonoCO2 que emite a la atmósfera durante su combustión no provoca ningún incremento adicional, ya que es el mismo que captó la planta oleaginosa utilizada para extraer el aceite durante su etapa de crecimiento.  Con la mezcla B20 (20% de biodiesel y 80% de diésel) se contamina más que utilizando el biodiesel puro, salvo en las emisiones de óxidos de nitrógeno donde el porcentaje es menor para la mezcla. Sin embargo, la mayoría del biodiesel es vendido como B20 debido a que el biodiesel puro reduce la potencia y la economía del combustible en un 10%. (en otras palabras, se necesitan 1,455 litros de biodiesel por cada litro de diésel reemplazado), y además al ser una mezcla reduce los problemas de congelación que pueden surgir en climas fríos. c) Ventajas socioeconómicas:  Ahorro de combustibles agotables. En la medida en la que se sustituye el empleo de derivado del petróleo por biodiesel de origen renovable.  Desarrollo agrícola. Una fuente renovable de producción de combustibles alternativos con origen en la agricultura, permite a la sociedad disponer de una fuente de empleo adicional y de un aprovechamiento de terrenos que, en algunos casos, no pueden ser usados para otros cultivos por restricciones políticas o condiciones del terreno.  Aprovechamiento de un residuo. La manipulación, tratamiento y evacuación de residuos supone un coste energético y económico a las empresas que lo producen y a la sociedad. Éste también es el caso de los residuos de aceites vegetales. Si éstos son empleados en la elaboración de biodiesel, se consiguen dos objetivos: reducción de los costes por el tratamiento o evacuación del residuo y minimización de los costes relacionados con la posible contaminación ambiental. Resumiendo el biodiesel constituye una alternativa viable a los derivados del petróleo para la automoción dado que ninguno de los inconvenientes citados supone una barrera insalvable. Además, las contraindicaciones se pueden minimizar si el biodiesel se emplea mezclado con gasóleo. 3.6. ESPECIFICACIONES DE CALIDAD. Las especificaciones de calidad para que una mezcla de biodiesel pueda ser comercializada quedan definidas en el RD 1700/2003. Los ésteres metílicos de los ácidos grasos (FAME) denominados biodiesel son productos de origen vegetal o animal, cuya composición y propiedades están definidas actualmente en la norma EN 14214, con excepción del índice de yodo cuyo valor máximo establecido es 140. En la Tabla 1.2 se incluye los parámetros de control de calidad para el biodiesel.

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Parámetro

Norma

Unidades

Densidad a 15ºC Viscosidad Cinemática 40ºC

EN ISO 12185 EN ISO 3104 EN 22719 ISO/DIS 3679 EN ISO 14596 pr EN-ISO 20846-84 EN ISO 10370 EN 12662 EN ISO 12937 EN ISO 2160

g/cm3 cSt

CEN 14214 Biodiesel 0,860-0,900 3,5-5,0

ºC

120 min.

ppm

10 máx.

% ppm ppm -

0,30 máx. 24 máx. 500 máx. Clase 1

Punto de inflamación Azufre Residuo carbonoso (10%) Contaminación total Agua Corrosión al cobre Parámetro Estabilidad a la oxidación Número de cetano Índice de cetano PAH´s Destilación 65% recogido 85% recogido 95% recogido POFF Invierno Verano Lubricidad Contenido en cenizas Color Transparencia y brillo Cenizas sulfatadas TAN Metanol Monoglicéridos Diglicéridos Triglicéridos Glicerina libre Glicerol total Contenido en éster Ésteres metílicos de ác. Linolénico y poli-insaturados

Norma EN ISO 12205 pr EN 14112 EN ISO 5165 EN ISO 4264 IP 391

Unidades

CEN 14214 Biodiesel

mg/l

6 h min

-

51 min.

EN ISO 3405

ºC

EN 116

ºC

ISO 12156-1 µm EN ISO 6245 % ASTM D 1500 ASTM D 4176 ISO 3987 % prEN 141042 mgKOH/g prEN 14110 %(m/m) prEN 14105 %(m/m) prEN 14105 %(m/m) prEN 14105 %(m/m) prEN 14105-06 %(m/m) prEN 14105 %(m/m) prEN 14103 %(m/m) prEN 14103

%(m/m)

Depende del país

0,02 máx. 0,5 máx. 0,2 máx. 0,8 máx. 0,2 máx. 0,2 máx. 0,02 máx. 0,25 máx. min. 96,5 máx. 12 Ésteres Metílicos de 15

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Índice de Yodo Fósforo GI: Sodio + Potasio GII: Calcio + Magnesio

prEN 14111 prEN 14107 prEN 14108-09 prEN 14538

mg/kg mg/kg

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Linolénico. 120 máx. 10 máx. 5 máx. 5 máx.

Tabla 1.2: Especificaciones de calidad del biodiesel. Los parámetros de la Tabla 1.2 proporcionan unas características particulares del biodiesel:  Punto de inflamación. Este parámetro generalmente se determina para satisfacer temas legales de seguridad. También es útil para conocer si existe una cantidad excesiva de alcohol que no reaccionado en el proceso de obtención.  Viscosidad. Debe poseer una viscosidad mínima para evitar pérdidas de potencia debidas a fugas en la bomba de inyección y en el inyector. Además, le da características de lubricidad al combustible. Por otra parte también se limita la viscosidad máxima por consideraciones de diseño y tamaño de los motores, y por en las características del sistema de inyección.  Densidad. Da idea del contenido en energía del combustible. Mayores densidades indican mayor energía térmica y una mejor economía de combustible.  Cenizas sulfatadas. Los materiales que forman cenizas en un biodiesel se presentan de tres formas: - Sólidos abrasivos - Jabones metálicos solubles - Catalizadores no eliminados en el proceso. En el caso del diésel, normalmente solo aparecen los primeros o gomas solubles. Tanto los sólidos abrasivos como los catalizadores no eliminados favorecen el desgaste del inyector, bomba de inyección, pistón y anillos, además de contribuir a la formación de depósitos en el motor. Los jabones metálicos solubles tienen un efecto menor en el desgaste pero pueden afectar más a la colmatación de filtros y depósitos en el motor.  Azufre. Contribuye al desgaste del motor y a la aparición de depósitos, que varían considerablemente dependiendo en gran medida de la condiciones de funcionamiento del motor. También puede afectar al funcionamiento del sistema de control de emisiones y a límites medioambientales.  Corrosión a la lámina de cobre. Mediante la comprobación del desgaste de una lámina de cobre se puede observar si existen, en el sistema, compuestos corrosivos y/o presencia de ácidos que puedan atacar al cobre o a sus aleaciones. 16

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 Numero de cetano. Es una medida de la calidad de ignición de un combustible e influye en las emisiones de humos y en la calidad de la combustión. Éste número depende del diseño y tamaño del motor, de la variaciones de carga y de la velocidad y condiciones de arranque. Un bajo número de cetano conlleva a ruidos en el motor, prolongando el retraso de la ignición y aumentando el peso molecular de las emisiones.  Índice de yodo. Indica la tendencia a la oxidación de un biodiesel porque da idea del grado de instauraciones que poseen sus ésteres.  Punto de nube. Indica la temperatura a la cual empiezan a precipitar ciertos compuestos del combustible (parafinas, materia insaponificable,…). Es una medida muy importante a tener en cuenta cuando se usa el motor en climas fríos. El valor debe ser definido por el usuario, ya que depende del clima en el que se utilice el motor.  Agua y sedimentos. El agua se puede formar por condensación en el tanque de almacenamiento. La presencia de agua y sólidos de desgaste normalmente pueden colmatar filtros y darle al combustible unas propiedades de lubricidad menores. El biodiesel puede absorber hasta 40 veces más agua que el diesel. El agua puede provocar dos problemas en el motor: 1) Corrosión en sus componentes, generalmente herrumbre. El agua se acidifica y acaba atacando a los tanques de almacenamiento. 2) Contribuye al crecimiento de microorganismos (fungi, bacterias,…). Forma lodos y limos que pueden colmatar los filtros. Además, algunos de estos microorganismos pueden convertir el azufre que posea el combustible en acido sulfúrico, que indudablemente corroerá la superficie metálica del tanque. El agua se puede presentar en el tanque de dos formas: a) Disuelta en el combustible. La cantidad de agua depende de la solubilidad de ésta en el biodiesel. b) Separada de la fase de combustible en forma libre. La cantidad de la misma depende de cómo se manipule y trasporte el combustible. Los sedimentos pueden ser debidos principalmente a un mal proceso de purificación del combustible o contaminación. Afectan principalmente a la temperatura de cristalización y al número de cetano.  Residuo carbonoso. Da una idea de la tendencia del combustible a formar depósitos carbonosos. Normalmente para el diesel se suele utilizar el 10% que queda en la destilación, pero debido a que el biodiesel tiene un perfil muy diferente de destilación (en un pequeño rango de temperaturas se destila toda la muestra, ya que 17

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posee una distribución de moléculas diferentes muy pequeñas) se debe utilizar el 100% de la muestra. También se puede obtener información, aparte de la contaminación (glicerina libre y total), de la calidad de purificación del biodiesel cuando se fabrica.  Destilación. Indica la temperatura máxima a la que se debe evaporar el combustible a unas condiciones de presión y temperatura. - El biodiesel a la temperatura de 360ºC tiene que estar el 90% destilado, según la norma ASTM D1160. - El diesel a la temperatura de 360ºC tiene que estar el 95% destilado, según la norma ASTM D86.  Número ácido, TAN. Determina el nivel de ácido grasos, ó generados por degradación, que se presentan en el combustible. Si posee un alto grado de acidez se formarán una cantidad importante de depósitos y también se producirá mayor corrosión en el sistema.  Contenido en metales (Na, K, P,..) y ácidos grasos libres. Contribuyen al aumento del residuo carbonoso de manera notable y también a las cenizas, generando residuos inorgánicos parcialmente quemados. Además, también se pueden formar jabones que colmatan los filtros del combustible.  Lubricidad. Es la cualidad de un líquido para proporcionar una lubricación adecuada para prevenir el desgaste entre dos superficies en movimiento. Los combustibles con un contenido bajo en azufre o con baja viscosidad tienden a tener una lubricidad menor.  Glicerina libre. Determina el nivel de glicerina no enlazada presente en el biodiesel. Su presencia normalmente se debe a una mala purificación del mismo. Niveles altos pueden causar problemas de depósitos en el inyector, así como la colmatación de filtros. Puede dañar los sistemas de inyección debido a los compuestos inorgánicos y jabones que se acumulan en la glicerina. Si la cantidad de ésta es superior al 0,5% puede afectar al contenido del residuo carbonoso.  Glicerina total. Determina el nivel de glicerina enlazada y no enlazada presente en el combustible. Niveles bajos significan que se ha producido un alto grado de conversión en el aceite o grasa, y se han formado gran cantidad de monoésteres. Niveles alto de mono, di y triglicéridos pueden provocar la colmatación de los filtros, depósitos carbonosos en los inyectores y afectar adversamente a las propiedades a bajas temperaturas. Esto es debido a que al poseer temperaturas de ebullición superiores provocan que la combustión sea bastante peor. Además, aumentan la viscosidad del biodiesel.  Contenido en alcohol. Puede provocar problemas de lubricidad y en el número de cetano. Desde el punto de vista de la seguridad, el punto de inflamación 18

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disminuye. Por otro lado, junto a la presencia de alcohol puede venir asociada glicerina disuelta en este con los consiguientes problemas antes comentados.  Estabilidad a la oxidación. Se determina la vida de almacenamiento y la degradación potencial de un combustible durante su almacenamiento. La oxidación de un combustible suele venir acompañada de la formación de gomas solubles e insolubles que pueden actuar de la siguiente manera: - Gomas insolubles. Problemas de colmatación de filtros. - Gomas solubles. Formación de depósitos en la punta del inyector y fallos en las boquillas de los inyectores. Hay que tener en cuenta que el biodiesel se puede usar puro o mezclado con el gasoil. Esto hará que las propiedades que sean más diferentes entre ellos se igualen o diferencien según sea el porcentaje utilizado.

3.7. APLICACIONES DEL BIODIESEL. El empleo más frecuente del biodiesel se encuentra en el sector del transporte. Pero existen otros sectores, como puede ser el de generación eléctrica, en los que también puede utilizarse. Las aplicaciones más destacadas se listan a continuación: 1. Combustión en calderas. Se trata de una aplicación que no precisa de especificaciones especiales, en la que posiblemente pueda emplearse el aceite directamente sin esterificar. El problema reside en el coste relativo a otros combustibles, incluida la biomasa. 2. Aplicación a motores diesel estacionarios para generación de energía eléctrica o para motobombas en las propias zonas de cultivo. La ventaja consiste en que estos motores no necesitan combustibles tan sofisticados como los de automoción. 3. Aplicación a tractores agrícolas y otra maquinaria agrícola. Además de contar con la ventaja mencionada anteriormente, se reduce el coste del transporte si el biocarburante es producido en las cercanías del cultivo. 4. Aplicación a motores de barcos marinos o fluviales, con planteamientos similares. 5. Aplicación a vehículos diesel pesados (camiones y autobuses) y ligeros (pequeños camiones, microbuses y turismos). A esta aplicación corresponden generalmente las especificaciones del combustible más estrictas. Los vehículos antiguos, así como los diseñados para trabajo pesado, donde las exigencias relativas a prestaciones y emisiones no son extremas, pueden emplear combustibles con unas 19

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especificaciones menos exigentes que las de los automóviles ligeros en Europa, EEUU o Japón. Así, un vehículo diesel de diseño antiguo, equipado con sistemas de control mecánico de inyección, no exige un carburante, y en particular un biodiesel, con especificaciones muy estrictas. Éstas corresponden al biodiesel de automoción para motores de combustión interna en vehículos ligeros. 4. ESTUDIO DE VIABILIDAD. 4.1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo del biodiesel puede significar nuevos nichos de mercado para el comercio de productos agrícolas y derivados a escala mundial. Actualmente son mercados protegidos, de pequeño volumen y subvencionados por las administraciones públicas, pero con su desarrollo muchos países agrícolas podrían aprovechar el sector para colocar su producción. Según datos del IFP, (Institut Français du Pétrole, Francia) la producción mundial de biodiesel como biocarburante (concentrada principalmente en la Unión Europea) ascendió en 2003 a 1,6 millones de toneladas. Sin embargo, a este respecto es preciso señalar que Brasil inició a finales de 2004 un programa de fomento del biodiesel (mezcla al 2% y al 5% a medio plazo), generado a partir de aceites de soja y de ricino.

Gráfico 1.4: Distribución de la producción mundial de bioetanol y biodiesel en 2003. Fuente IFP. 2005 Esta distribución de la producción, entre países y entre tipos de biocarburantes, se debe a las condiciones geoclimatológicas y productivas de cada área. El consumo relativo de gasolina es mayor en América, a la vez que las grandes extensiones cerealistas de EE.UU. y el clima tropical de Brasil (caña de azúcar) favorecen el desarrollo de una industria del bioetanol. Por el contrario, la infraestructura europea de “cracking” se construyó históricamente para optimizar la producción de gasolina en detrimento del gasóleo, y aunque actualmente se intenta realizar mejoras en la producción de éste combustible, es muy difícil optimizar, de manera significativa, la misma sin renovar completamente 20

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las instalaciones. En los últimos años el incremento experimentado por el consumo de gasóleo ha creado un mercado que favorece su mezcla con el biodiesel elevándose por tanto la cantidad disponible de combustible). 4.2. DEPENDENCIA ENERGÉTICA. España es un país con una dependencia muy fuerte de las importaciones energéticas. De hecho, importa casi un 80% de la energía que consume, por lo que nuestra economía es bastante vulnerable a cambios en los precios del petróleo y del gas. Geográficamente, esta dependencia se concentra en países no totalmente fiables ni en sus suministros ni en sus políticas, (Argelia, Nigeria, Rusia, ...). Además, la economía española, en contra de la tendencia de la UE, tiene un tejido productivo con una intensidad energética alta y ascendente. Ambos factores añaden un valor especial a la energía producida con fuentes de energía renovables, autóctonas, e independientes de los vaivenes de precios en los mercados internacionales.

Gráfico 1.5: Balance español de producción de energía eléctrica correspondiente a 2006. Por otro lado, aunque las energías renovables están cada vez más presentes en el cómputo energético total, la inmensa mayoría de la energía que se consume tiene origen fósil (petróleo, carbón y gas natural), con lo que es altamente contaminante. De hecho, España es el país europeo más alejado de cumplir con el Protocolo de Kyoto que establece unos límites cuantificados y obligatorios de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) para los países jurídicamente vinculantes. En el año 2005 en España, las emisiones de gases de efecto invernadero habían aumentado un 48,05% desde 1990 (Gráfico 1.6). Con el escenario actual, las emisiones 21

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GEI alcanzarán el 52,5% en 2011. Este crecimiento triplica el 15% de aumento promedio permitido a España por el Protocolo para el periodo 2008-2012.

Gráfico 1.6: Evolución de las emisiones de gases de efecto invernadero en España (1990-2006) 5. LA INGENIERÍA DE PROCESOS DE SEPARACIÓN. 5.1. INTRODUCCIÓN. Las separaciones son fundamentales en la ingeniería química. Una planta química típica es un reactor rodeado por separadores, tal como se muestra en el siguiente diagrama de flujo de la figura 1.1. Subproductos

Reactor

Separador Productos

Materias primas Recirculación Separadores

Separación y Purificación

Figura 1.1: Diagrama de flujo típico para una planta química. Las materias primas se purifican previamente en dispositivos de separación y se alimentan al reactor químico. La alimentación que no reacciona se separa de los productos de reacción y se recircula al reactor. Los productos se siguen separando y purificando antes de poder venderlos. Algunos ejemplos de procesos tradicionales 22

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están ilustrados en Couper et al. (2005), Shreve y Austin (1984), Matar y Hatch (2001), Turton et al. (2003), Chenier (2002) y Speight (2002), mientras que procesos más recientes aparecen en la revista Chemical Engineering. Los métodos de separación en ingeniería están a la orden del día, en todas ellas se ponen en contacto dos fases y pueden diseñarse y analizarse como procesos con etapas en equilibrio. El concepto de etapa en equilibrio se aplica cuando el proceso puede construirse como una serie de etapas discretas, en las que se ponen en contacto dos fases para luego separarlas. Se supone que las dos fases que se separan están en equilibrio entre sí. Por ejemplo, en la destilación se ponen en contacto un vapor y un líquido sobre un plato metálico agujerado. A causa del contacto íntimo entre las dos fases, puede pasar soluto de una fase a otra. Arriba del plato, el vapor se separa del líquido. Tanto el líquido como el vapor se pueden mandar a más etapas, para aumentar la separación. Esto se vera mejor en el siguiente apartado. Otro concepto útil es el de operación unitaria. En este caso la idea es que, aunque el diseño específico puede variar de acuerdo con las sustancias que se están separando, los principios básicos de la destilación siempre son los mismos. Por ejemplos, básicos de la destilación siempre son los mismos, sea que estemos separando etanol de agua o bien varios hidrocarburos, o biodiesel. Se usará el método de etapa por etapa, donde los cálculos se terminan para una etapa, y los resultados se usan para calcular la etapa siguiente, desarrollando así una comprensión básica. 5.2. EL CONCEPTO DE EQUILIBRIO. El concepto de equilibrio como se ha comentado en el apartado anterior, se establece que las corrientes que salen de una etapa están en equilibrio. Para explicar mejor este equilibrio en la etapa, imaginemos un vapor y un líquido que están en contacto entre sí, como muestra la figura 1.2. Las moléculas de líquido se están evaporando continuamente, mientras que las moléculas de vapor se están condensando continuamente. Si están presentes dos especies químicas, en general se condensarán y evaporarán con velocidades diferentes. Cuando no están en equilibrio, el líquido y el vapor pueden estar a distintas presiones y temperaturas, y estar presentes en diferentes fracciones molares. En el equilibrio, las temperaturas, presiones y fracciones de las dos fases cesan de cambiar. Aunque las moléculas continúan evaporándose y condensándose, la velocidad con la que se condesa cada especie es igual a la velocidad con la que se evapora. Aunque en escala molecular nada se ha detenido, en escala macroscópica, donde solemos observar los procesos, ya no hay más cambios en la temperatura, presión o composición.

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YA · YB

YA +YB = 1.0 PVapor , TVapor

A

A

XA · XB

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B

B

PLíquido , TLíquido

XA · XB = 1.0

Figura 1.2: Sistema de contacto entre vapor y líquido Las condiciones de equilibrio se pueden subdividir en forma conveniente en equilibrio térmico, mecánico y de potencial químico. En equilibrio térmico, las transferencias de calor cesa y las temperaturas de las dos fases con iguales. Por lo tanto:

Tlíquido  TVapor (en el equilibrio)

(1-1)

En el equilibrio mecánico, las fuerza entre vapor y líquido se balancean. En los procesos de separación suele implicar que las presiones son iguales. Así:

Plíquido  PVapor (en el equilibrio)

(1-2)

Si la interfaz entre líquido y vapor es curva, la igualdad de fuerzas no implica igualdad de presiones. Es este caso se puede deducir la ecuación de Laplace (Levich, 1962). En el equilibrio entre fases, la velocidad con la que se evapora cada especie es exactamente igual a la evaporación con la que se condensa. Así, no hay cambio de composición (fracción mol en la figura 1.2). Sin embargo, en general las composiciones del líquido y el vapor no son iguales. Si las composiciones fueran iguales no podría alcanzarse separación alguna en proceso de equilibrio alguno. Si la temperatura y la presión son constantes, la igualdad de velocidades de evaporación y condensación requieren que en el sistema haya un mínimo de energía libre. La condición resultante de para los equilibrios entre fases es:

 potencial ´químico líquido  Potencial `químico Vapor

(1-3)

El desarrollo de esta ecuación (1-3), no es motivo de este trabajo, pero si se quiere profundizar más en ella hay muchos libros de termodinámica que definen los conceptos necesarios para su compresión, por ejemplo, Smith et al. 2005; Balzhizer et

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al., 1972; Denbigh, 1981; Elliot y Lira, 1999). Sin embargo esta ecuación requiere cierta relación entre las composiciones del líquido y el vapor. Como se ha comentado en el apartado (introducción) los procesos de separación son muy importantes en la ingeniería, pudiéndose encontrar diferentes tipos de destilaciones. Se ha descrito el concepto de equilibrio y se podría profundizar más en diferentes tipos de destilación, ya que existe gran cantidad de ellas. Pero solo se hablará en este trabajo de la destilación en columna que es la que se utilizará para separar los componentes de Ester de metilo con Metanol. 5.3. INTRODUCCIÓN A LA DESTILACIÓN EN COLUMNA. La destilación es, por mucho, la técnica más común en la industria de procesos químicos, con ella se realizan de 90 a 95% de las separaciones en la industria. En Estados Unidos, por ejemplo, hay aproximadamente 400,000 columnas de destilación activas que consumen un 40% de la energía que se usan las industrias de procesos químicos en ese país, es decir, el equivalente a la asombrosa cantidad de 1,2 millones de barriles de petróleo crudo al día (Humphrey y Keller, 1997). La destilación de columna es un procedimiento de conexión en cascada. El procedimiento de conexión en cascada se puede ampliar a un proceso que produzca un vapor puro y un líquido puro. Las columnas de destilación están formadas por una serie de platos (en cascada) donde tiene lugar cada uno de los equilibrios. En cada plato de la columna se mezcla la fase vapor con la fase líquida llegando al equilibrio ambas fases. Las columnas de destilación poseen una entrada de alimentación, donde entra la mezcla binaria a separar, como se puede ver en la figura 1.3. La mezcla binaria entra con una temperatura y una presión a la columna de destilación, y uno de los dos productos a separar es más volátil que el otro. Al ser uno de los dos componentes más volátil, lo que ocurre cuando la mezcla entra en la columna, en el plato de entrada (plato de alimentación) se produce el equilibrio formándose una fase vapor y una líquida. La fase vapor esta enriquecida con el componente más volátil mientras que la fase líquida esta empobrecida con el componente más volátil. Como se puede ver en la figura 1.3, F es la alimentación, mientras que Ln y Vn son la fase líquida y vapor de cada una de las etapas o platos. Las etapas por encima de la alimentación, a medida que van subiendo cada etapa o plato va siendo más rico en la sustancia más volátil. Esto es debido porque en cada plato una vez alcanzado el equilibrio, como se dijo anteriormente, se crea un líquido y un vapor, el vapor sube a la siguiente etapa o plato mientras que el líquido pasa a una etapa inferior. Esto quiere decir, que en siguiente plato no solo habrá el liquido y el vapor de esa etapa sino que también se unirá la fase se vapor o líquida del anterior. En el caso de que sea el vapor el que se une esto hace que la concentración del líquido en esa etapa sea mas rica de la sustancia más volátil.

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V1

Condensador

L1 1

D V2

2 Alimentación

L3

L2

V3 3

F

V4 4 L5

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Etapa o plato L4

V5 5 V6

B Figura 1.3: Columna de destilación: Esquema de una columna con cinco platos (T1= 1) || any([zf xb xd] 1 || q < 0 errordlg('The feed quality must be between 0 and 1 (0